‘이야기’를 간직한 체험과학 창작실험, 몸으로 N초JW06 (1N, 1second, 1J, 1W by body 06)

‘아꼽다 못해 요망진 아해'에게 주는 평생의 선물 여덟

[몸으로 N초JW06]은 ‘아꼽다 못해 요망진 아해’(제주어로‘사랑스럽다 못해 똑똑한 아이)를 위한, 단위를 몸으로 체험하는 “손에서 머리로 가슴으로”의 전설이‘이야기’로써 강한 호기심을 끈다.

“몸으로 1N, 1초, 1J, 1W를 익힌다”라는 2006년 일반화 실험 [몸으로 N초JW06]은, 빈 생수병과 실 등으로 힘 1N, 시간 1초, 일 1J, 일률 1W 개념을 몸으로 직접 경험한다는 것이 아주 특별하다.

사진 김인수 / 청소년을 위한 과학의 제전(靑少年のための科學の祭典全国大会 2006년) 글쓴이 부스에서 실험하는 일본 학생들

글쓴이는 1977년 3월부터 2024년 1월까지, 경남 진주 칠암가톨릭중, 경남 고성 철성고, 경남 진주 경해여고, 경기 부천 소명여고, 경기 가평 설악 NOVITAS 음악중고, 경기 안양 안양고, 경기 구리 인창고, 경기 수원 수원중, 경기 부천 소사중에서 물리(과학)를 가르칠 때 “단위를 더 쉽고, 정확하며, 인상 깊게 가르칠 방법은 뭘까?”를 고민했다.

구글 Gemini, 마이크로소프트 Copilot 등 생성형 AI로 확인한 결과, 중력의 날(9월 8일)은 일본의 오카다 요시오(岡田吉夫, 1926년 8월 11일 ~ 2002년 6월 22일)가 1986년 9월 8일 처음 제안하였는데, 그는 축구 선수이자 감독, 커터칼을 발명한 발명가였다.

중력의 날에는 중력과 관련된 다양한 행사나 체험을 볼 수 있다. 예를 들어, 우주나 달에서의 생활, 중력의 역사와 원리, 중력을 이용한 과학실험, 중력을 주제로 한 창작물, 중력을 느끼는 스포츠나 놀이, 중력과 관련된 문화물 등이다.

2000년대 초, ‘신나는 과학을 만드는 사람들’(당시 글쓴이도 이 모임의 회원이었다) 대표 류성철 선생은 “9월 8일은 중력의 날”로 제안하였다. 이 단체는 1992년부터 현재까지 ‘한국의 체험과학 실험창작과 그 일반화’를 가장 열정적으로 이끌어오고 있다.

류성철 선생은 ‘중력의 날’을 소개하면서 교사들에게 특별한 실험을 체험하게 했다. 실제로 준비한 두 상자의 사과 속에서 질량이 100g인 사과를 찾으라는 것이었다. 왜냐하면 질량이 100g인 물체는 중력가속도가 9.8m/s²일 때 약 1N의 중력을 받기 때문이다.

교사들은 사과를 골라서 저울에 올려보았다. 그러나 사과의 질량이 100g에 정확히 일치하는 경우는 거의 없었다. 몇몇 교사들은 100g에 매우 가까운 사과를 고르고 기뻐했다. 하지만 다른 교사들은 100g과 차이가 크게 나는 사과를 고르고 실망했다. 모두 그렇게 신났다.

사진 김인수 / 글쓴이가 지도하여 특허청에 등록된 특허 제10-0787897 특허 ‘단위 힘, 단위 에너지 및 단위 일률을 확인할 수 있는 실험 장치’(등록 2007. 12. 14.)

글쓴이는 학교로 돌아와서 지도하는 과학동아리 ‘손에서 머리로 가슴으로’와 정규 수업에서 다음 문제를 풀어보도록 하였다. ‘질량이 100g인 물체는 중력가속도가 9.8m/s²일 때 약 1N의 중력을 받는다. 그런 물체를 찾아보라!’

소명여고 과학동아리 ‘손에서 머리로 가슴으로’ 아해들은 역시 달랐다. 다른 친구들보다 더 큰 열정을 온몸으로 보여주었다. 여러 학생은 사과, 자두, 손 찰흙, 필기도구, 음료수병 등을 제안했지만, ‘미세한 변화가 수시로 가능한 것’은 아니었다.

‘미세한 변화가 수시로 가능한 것’이어야 하는 까닭은, 100g인 물체라고 짐작한 물체가 100g과 차이가 날 때, 다시 쉽게 시도해 볼 수 있어야 하기 때문이다. 목이 탔다. 생수병의 물을 마시다 번뜩 아이디어가 떠올랐다. 생수병에 남은 물은 먹을 때마다 달라졌다. OK!

“빈 500mL 생수병에 물을 얼마나 채워야 주방 저울로 100g이 나올까요?” 이 문장을 읽고 있는 당신, 잠시만 멈춰서 직접 해보세요. 정확히 100g이 되는 물의 양을 찾아내려면 몇 번이나 시도해야 할까요? 생각보다 재미있는 실험이에요. 당신은 이제 이 실험의 주인공입니다.

빈 500mL 생수병에 물을 채워 100g이 될 때, 병의 목을 실로 매달아 만든 진자의 끝에서 병의 바닥까지 1m라면 진자의 왕복 시간, 주기는 2초가 된다. 즉, 1초는 그 시간의 반이다. 100g 물병을 1m 들어 올릴 때 한 일은 1J, 1초 동안에 1J의 일을 할 때 일률은 1W가 된다.

더 나아가 1cal를 체험하려면 어떻게 하면 될까? 어렵지 않다. 빈 500mL 생수병에 0.42kg이 되도록 물을 채우면 4.2N의 중력을 받는다. 이 병을 연직상방으로 1m 올리는 일은 4.2J이다. 다들 잘 아시다시피 4.2J은 1cal이다. 이렇게 1cal를 체험할 수 있다.

사진 김인수 / 빈 500mL 생수병에 물을 100g(왼쪽) 채운 경우 / 빈 500mL 생수병에 물을 420g(오른쪽) 채운 경우

어느 날 수업에서 1N, 1초, 1J, 1W 그리고 1cal를 몸으로 경험하는 실험을 끝내려할 때 한 학생이 질문하였다. “일률 체험을 게임식으로, 더 정열적으로 할 수 있는 방법이 없을까요?” OK! 그래, 자네가 제안해 볼 텐가? 그녀는 잠시 주저하다가 금세 자기 생각을 죽 이야기했다.

“10초 동안 100g 물병(1N)을 1m 높이에 연직상방으로 올렸다 내렸다 하는 횟수를 측정하고, 그 횟수를 10으로 나누면 몇 W인지 쉽게 계산할 수 있습니다. 서로 경쟁적으로 강한 일률(power)을 보이려 할 것이고, 흔히 볼 수 있는 W 단윗값들과 비교도 가능합니다.”훌륭했다.

질문하고 제안했던 그 여고생은 지금, 대학에서 과학실험을 연구하고 가르치는 교수로 활발하게 활동하고 있는 것으로 안다. 다른 제안에는 다음과 같은 것도 있었는데, 다듬어서 특허로 출원하도록 도와주었다.

“종이컵에 티백을 넣고 물을 부어 질량이 100g이 되게 맞추면 1N을 받고, 그 컵을 연직상방으로 1m 들어 올리는데 한 일은 1J, 티백의 손잡이에서 맨 아래까지 6.4cm일 때 두 번 왕복 시간은 1초(25cm일 때 한 번 왕복 시간은 1초, 100cm일 때 한 번 왕복 시간은 2초), 1초 동안 1J의 일을 할 때 일률이 1W이다.”

글쓴이의 창작실험 [몸으로 N초JW06]은 특허 제10-0787897 ‘단위 힘, 단위 에너지 및 단위 일률을 확인할 수 있는 실험 장치’로 특허청에 등록되었고, 대한화학회 학회지(2010년 1월 특별 호)에 게재되었으며, 青少年のための科学の祭典全国大会 2006년 B211 ‘Magic Bottle for 1N, 1J & 1W’에서 한국 대표로 초대받아 일반화하였다.

2006년 일반화 실험 [몸으로 N초JW06]은 물을 채워 100g인 생수병이 받은 중력이 1N, 병의 목을 실로 매달아 만든 진자의 끝에서 병의 바닥까지 1m일 때 주기의 반이 1초, 그 병을 연직상방으로 들어 올리는 일은 1J, 1J을 1초 동안에 할 때의 일률이 1W임을 체험하는 것이다.

글쓴이는 일본의 창작실험 연구개발 일반화 전문가 축제 “青少年のための科学の祭典” 全国大会에 9회(2000년, 2001년, 2002년, 2003년, 2004년, 2005년, 2006년, 2006년, 2017년), TOYAMA大会에 2회(2006년, 2007년), OSAKA大会에 9회(2008년, 2006년, 2010년, 2011년, 2012년, 2013년, 2021년, 2022년, 2023년) 모두 20회 한국 대표로 초대받았다.